华龙一号批量化示范工程固体废物处理系统工艺改进分析

2023-02-14何源赵军

当代化工研究 2023年2期

＊何源赵军

（中核国电漳州能源有限公司福建 363300）

引言

我国《十二五期间新建核电厂安全要求》提出：新建核电厂在正常运行情况下，百万千瓦级电功率核电厂每堆年产生的放射性固体废物体积不宜超过 50m3。《核设施放射性废物最小化导则》附录A中也给出了“废物最小化目标”即单台机组待处置废物包体积不超过每年50m3。为保证放射性固体废物得到妥善处理，尽量减少核电厂每年产生的固体废物量，实现放射性废物的活度和体积都保持在实际可行的最小量，满足HAF103的要求，华龙一号批量化示范工程的固体废物处理系统在结合华龙一号参考电站经验反馈的基础上对放射性固体废物物处理工艺进行了多项改进。

1.放射性废物管理

核电厂在运行和维修过程中都将产生放射性废物，固体废物处理系统（华龙一号批量化示范工程编码为ZST系统）主要处理废离子交换树脂、废活性炭、蒸发浓缩液、废过滤器芯、杂项固体废物这几种类型的废物。ZST系统的主要任务是对各种固体废物进行处理并装入钢桶中，包括：收集机组产生的放射性“固体”废物；将废物处理和整备后封装在桶中；送往固体废物暂存库暂存，并进行可能的放射性衰变。系统主要由位于核辅助厂房（NX）的废树脂和废过滤器芯接收和转运部分、位于核废物厂房（QX）的废树脂、废活性炭和废过滤器芯接收和转运部分及浓缩液接收和处理部分、位于废物处理中心（QS）的废树脂和废活性炭、废过滤器芯和干废物处理部分三部分组成。

目前华龙一号批量化示范工程1号机组尚处于建筑安装阶段，暂未涉及放射性固体废物产生，机组运行后将严格遵守法律法规，以公司放射性固废管理程序为“抓手”，落实放射性固体废物“收集、整备、处理”一系列操作，华龙一号批量化示范工程固体废物系统功能和主要任务与参考电厂一致，需处理的废物类型基本一致，因机组功率提升，系统配置略有不同，需处理的废物量稍有变化。为实现“废物最小化”目标，首先从设计角度对废物量进行核算。

2.华龙一号机组需处理的废物量

废物量的核算区分废液、废树脂、废活性炭、废过滤器滤芯、杂项固体干废物等不同类型放射性废物。

(1)废树脂和废活性炭体积

根据华龙一号批量化示范工程设计和设备配置，机组的废树脂主要来源于TTB系统（蒸汽发生器排污系统）、RFT系统（反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统）、RCV系统（化学和容积控制系统）、ZLT系统（废液处理系统）、ZBR系统（硼回收系统）；废活性炭主要来源于ZLT系统。

针对废树脂和废活性炭，其在蒸发器排污系统中平均年产量较多，为9m3/a，其次是硼回收系统，其平均年产量为4.8m3/a。

(2)废过滤器芯体积

废过滤器滤芯主要来源于TTB、RFT、RCV、ZBR、ZLT等系统，表面剂量率＞2mSv/h的废过滤器芯用带有屏蔽运输容器的专用运输车送到QX厂房进行水泥固定，表面剂量率≤2mSv/h的废过滤器芯送到QS厂房处理。

通风过滤器一般仅受轻微放射性污染，送到固体废物暂存库进行贮存衰变，若经衰变达到IAEA RS-G-1.7《排除、豁免和解控概念的适用》规定的清洁解控水平后，经审管部门批准，可作为非放废物处理；放射性水平异常的可以在QS厂房压实处理。

对于外表面剂量率≤2mSv/h的废滤芯，蒸发器排污系统与废液处理系统内产生量较多；对于外表面＞2mSv/h的废滤芯，化容系统与废液处理系统内产生量较多。

(3)固体废物系统输入废物的总容积设计值

根据以上核算结果，结合设计换料周期18个月，华龙一号批量化示范工程每年每台机组待处理废物的体积设计值和每年废物包产生量的预期值如表1所示。

表1 每年待处理废物体积预期值

3.华龙一号批量化示范工程工艺改进

(1)工艺改进背景和原因

华龙一号参考电厂固体废物处理系统采用水泥固化工艺，并考虑采用可降解技术处理部分干废物。水泥固化工艺安全可靠，设备制造也较为成熟，缺点是废物包产生量较高，存在废物增容的情况，水泥固化工艺处理放射性废树脂增容比3.2[1]，浓缩液增容比2.25[1]。为持续降低废物包的年产生量，需要通过工艺改进来满足废物最小化目标。

(2)参考电厂废物包预期产生量

华龙一号参考电厂的水泥固化装置根据废物特性，针对不同废物处理方法如下：

①浓缩液、废树脂和活性炭分别和水泥及添加剂固化在400L钢桶内；

②外表面剂量率＞2mSv/h的废过滤器芯用水、水泥和添加剂制成湿混料固定在400L钢桶内；

③外表面剂量率＞2mSv/h杂项干废物在厂房进行水泥固定；

④考虑采用可降解防护用品，设置可降解设备对废防护用品进行降解处理。

参考电厂单台机组每年的废物包设计产生量约为109.2m3，在正常运行情况下，每台机组预期每年产生的固体废物包体积约为49.2m3。

(3)华龙一号批量化示范工程工艺改进

经调研，目前国内三门1/2、田湾3/4、霞浦项目、海阳1/2改造、CAP1400等项目的固体废物处理技术路线，均未采用水泥固化方案。如使用烘干方式处理废树脂，并装160L桶、超压装高完整性混凝土容器（HIC）；或处理后装200L桶，不用超压直接装HIC，其减容效果明显，其减容比1.65（未计算HIC），计算HIC为1.84。

湿废物烘干装HIC工艺减容效果好于水泥固化工艺，但需要考虑的是金属废物桶在厂内贮存时需要确保废物库具有良好的温湿度条件，以免废物桶发生辐射穿孔等风险。通过工艺改进，华龙一号批量化示范工程采用湿废物烘干装HIC桶工艺，含硼浓缩液装入200L不锈钢桶烘干成盐饼、封盖和剂量率检测后用屏蔽容器运到废物库装入混凝土HIC进行暂存，或200L钢桶直接暂存；废树脂和废活性炭采用锥形干燥器烘干后直接装200L桶、废滤芯在200L钢桶内进行水泥固定，并均在废物库QT厂房装入HIC后暂存。

(4)与参考电厂固废处理工艺对比

具体工艺对比如表2所示：

表2 处理工艺对比表

4.华龙一号批量化示范工程固废处理工艺者简

(1)系统组成

①在NX厂房内的设备为单机组设置，每台机组一套。

用于收集和暂存废树脂、废过滤器滤芯。废树脂和废过滤器芯用屏蔽运输车送到QS厂房处理。

②QX厂房内的设备为双机组设置，两台机组共用。

用于收集QX厂房产生的废树脂、废活性炭、废过滤器芯和浓缩液并对浓缩液进行桶内干燥。废树脂、废活性炭和废过滤器芯用屏蔽运输车送到QS厂房处理。

③QS厂房内的设备为整个厂址6台机组共用。

用于接收废树脂、废活性炭、废过滤器芯和杂项干废物并进行分类处理。

④QT库的库容按6台机组运行5年产生的废物量进行设计。

该库用于暂存经ZST系统处理产生的废物包以及装有政企发生器排污系统废树脂的200L钢桶、废通风过滤器芯和收到轻微污染的大尺寸废物等。其中，废树脂、废活性炭和浓缩液处理后装入200L钢桶转运至QT库后，需在灌浆区装入混凝土HIC。

(2)处理工艺

①废树脂（废活性炭）处理

废树脂（废活性炭）被冲排至NX厂房内的废树脂贮槽和TTB废树脂贮槽。用锥形干燥器烘干后装入200L钢桶，随后用屏蔽运输车转运至QT库，再装入混凝土高完整性容器（HIC）中暂存。具体流程如图1所示。

图1 废树脂（废活性炭）处理流程

②废过滤器滤芯

废过滤器滤芯装入200L钢桶进行水泥固定，随后用屏蔽运输车转运至QT库暂存。具体流程如图2所示。

图2 废滤芯处理流程

③干废物

可压实干废物进行分拣、干燥、剪切、初级压实、超级压实、装桶等工艺处理，然后通过运输辊道进行水泥固定、封盖等处理；不可压实废物直接进行水泥固定、封盖处理。具体处理流程如图3所示。

图3 干废物处理流程

④浓缩液

图4 浓缩液处理流程

废液处理系统ZLT产生的浓缩液收集在QX厂房的浓缩液接收贮槽中，槽内有恒温加热器加热，再通过计量泵送到浓缩液桶内干燥器进行桶内干燥，通过在200L桶内反复多次进料、干燥、再进料、再干燥形成浓缩液盐块。封盖后的200L桶送往废物处理厂房固体废物暂存库，在暂存库的废物桶剂量检测间进行检测后，用屏蔽运输车运往QT暂存库，在灌浆区装入HIC后暂存。

5.华龙一号批量化示范工程废物量核算

改进后，浓缩液装入200L钢桶进行桶内干燥，减容比为3.4[1]；再装入混凝土HIC。废树脂和活性炭用锥形干燥器烘干后装入200L钢桶，减容比为1.9[2]；然后装入混凝土HIC，废物包增容比为3.5。华龙一号批量化示范工程废物量比参考电厂废物量相比要少，降低了年产生的废物量。

在不使用可降解工艺的情况下，改进后的废物量预期为45.2m3，少于参考电厂的62.4m3。

根据中国核电与中核环保等签订的《放射性废物外运及处置服务采购框架协议》，杂项干废物可运至西北进行焚烧处置。杂项干废物焚烧的减容因子约为100，华龙一号批量化示范工程每台机组年杂项干废物（可燃烧）的产生量预期值为102m3，焚烧后产生焚烧灰1.02m3，焚烧灰固化增容比约为2～3，每台机组年杂项干废物包最终产生量保守估计为3m3。使用超压技术每台机组年杂项干废物包（可压缩）最终产生量为23.2m3。使用焚烧固化技术比超压技术废物包最终产生量减少20.2m3，在批量化项目3～4机组浓缩液继续采用桶内干燥装HIC（2台机组公用），废树脂、废活性炭继续采用锥形干燥装HIC（全厂公用），过滤器滤芯继续采用水泥固定工艺装钢桶（全厂公用）的形式，将杂项干废物外运及处置（使用焚烧固化处理）可将批量化示范工程每台机组年固体废物包最终产生量由45.2m3降低到25m3。